14.1 ВВЕДЕНИЕ

В этой главе мы воспользуемся далее нашими знаниями законов микроскопической физики, чтобы понять качественные свойства макроскопических объектов. Типичные макроскопические системы охватывают столь несхожие объекты, как газы, жидкости, твердые тела, полимеры, гели и биологические организмы, и содержат порядка 1020—1025 взаимодействующих частиц. Поведение макроскопических систем отличается большим разнообразием. Это и турбулентное движение быстро текущего ручейка, и плавление льда, и размножение живого организма. Колоссальную  сложность,   присущую  макроскопическим  системам,   нельзя понять

20

путем прямого применения компьютеров —просчитать движение 10 взаимодействующих частиц нельзя даже на самых супер нз суперкомпьютеров. Более того, детальная информация о поведении отдельных частиц не много бы дала для понимания основных свойств макроскопической системы.

Одним из наиболее важных свойств макроскопических систем является их стремление к беспорядку. А именно, если вначале частицы упорядочены и система изолирована от внешних воздействий, то после удаления внутренних связей частицы будут стремиться прнйтн в беспорядок. Пример этой тенденции можно наблюдать, добавив чернил в стакан воды. Допустим, что чернила имеют одинаковую с водой плотность и их осторожно льют на поверхность воды. Стакан стоит неподвижно, и внешние условия не меняются. Мы знаем, что по прошествии некоторого времени чернила и вода полностью перемешаются. Предположим, что мы сняли фнльм о системе вода —чернила и случайно запустили его задом наперед. Мы увидели бы, что случайное движение молекул чернил вынесло все чернила на поверхность. Наше интуитивное представление о действии законов природы подсказало бы, что здесь что-то не то —и правда, ведь фильм прокручивается задом наперед. Исходя из своего опыта, мы можем сказать, что природная тенденция макроскопических систем к беспорядку определяет направление или «вектор» времени.

Смесь чернил с водой может быть описана путем задания ее микроскопического состояния, или микросостояния. Такое описание отвечает наиболее полной, совместимой с законами механики характеристике всех молекул системы. Согласно классической механике, такое описание соответствует заданию координат и скоростей каждой молекулы. В крупном масштабе макроскопическое состояние, или макросостояние, смесн чернил с водой может быть описано путем задания средней концентрации молекул в любой малой, но конечной области стакана воды.

Микроскопическое состояние системы меняется самым невообразимым образом. В противоположность этому мы знаем, что макроскопическое состояние через какое-то время перестает меняться со временем, если не говорить о малых случайных флуктуациях. Говорят, что такое состояние является равновесным.